Pr�ctica I

Arquitectura y Tecnología de Computadores. Curso 10/11
Arquitecturas Paralelas. Práctica I
EVALUACION DEL RENDIMIENTO DE COMPUTADORES (I)
Benchmarks Sintéticos
1. Objetivo
El objetivo de la presente práctica es familiarizarse con el empleo de los benchmarks utilizados para
evaluar el rendimiento de los computadores. Para ello se utilizarán un par de benchmarks sintéticos
escritos en C: el benchmark dhrystone, que estima el rendimiento al trabajar con operaciones de CPU
(datos enteros) y el benchmark whetstone, que estima el rendimiento al trabajar con operaciones en
punto flotante (datos reales). Estos benchmarks se utilizarán para evaluar las prestaciones de diferentes
máquinas multiusuario en las que el alumno tiene cuenta.
2. Análisis a realizar
•
•
•
•
•
•
Evaluar el rendimiento de los computadores disponibles utilizando benchmarks sintéticos
Evaluar el rendimiento obtenido al ejecutar aplicaciones concretas
Establecer comparativas de rendimiento basadas tanto en los benchmarks como en las aplicaciones
Valorar el efecto de procesador y memoria sobre el rendimiento de CPU
Valorar la precisión de la estimación de rendimiento proporcionada por los benchmarks sintéticos
Valorar el efecto del compilador sobre el rendimiento de CPU
3. Pasos a seguir en la práctica
•
Compilar y ejecutar los benchmarks en las máquinas disponibles, máquinas de diferentes fabricantes
y con diferentes características. Anotar las mediciones resultantes.
•
Ejecutar en cada una de las máquinas las aplicaciones, que operan bien sobre datos enteros o bien
sobre datos flotantes. Las aplicaciones son (ver Anexo III):
gcc
mxvdouble
el propio compilador de C de gnu (datos enteros)
multiplicación de matriz por vector (datos flotantes en doble precisión)
El programa mxvdouble ha de ser completado para poder medir su tiempo de ejecución en las
mismas condiciones que se hace en los benchmarks utilizados. Para ello, antes de ser compilado
(con optimización) habrá que añadir instrucciones de repetición de cálculos (para medir tiempo
suficiente y mejorar así la precisión), toma de tiempos y visualización del tiempo de cálculo medido
(las instrucciones aparecen en negrita en el listado del Anexo III). Una vez ejecutado el programa
(con matrices de 300x300) devolverá entonces la medición de tiempo de CPU de usuario
correspondiente.
En el programa gcc los tiempos serán medidos invocando la propia compilación (con optimización)
del programa mxvdouble. Además, con objeto de medir un tiempo significativo en todas las
máquinas se repetirá la compilación 10 veces haciendo uso del script del Anexo III. Una vez
creado el script se le dará permiso de ejecución mediante el comando chmod +x nombre_script
(denominar al script por ejemplo “compila10”) y se obtendrá su tiempo de ejecución mediante el
comando time nombre_script.
•
Comparar las máquinas en base a las mediciones de los benchmarks utilizando la ganancia que
supone una máquina respecto a otra como índice de la comparación ¿a que factores se deben
fundamentalmente las diferencias de rendimiento obtenidas ? (tener en cuenta los factores que
influyen sobre el tiempo de CPU de usuario que da lugar al rendimiento de procesador).
•
Comparar ahora las máquinas en base a las mediciones de las aplicaciones utilizando de nuevo la
ganancia como métrica. Valorar los resultados de ambas comparativas: ¿estiman adecuadamente
los benchmarks el rendimiento obtenido con las aplicaciones? ¿son las estimaciones para enteros y
flotantes igual de precisas? ¿a que crees que se debe todo ello? (tener en cuenta las diferencias
existentes entre los benchmarks sintéticos y las aplicaciones consideradas).
1
•
Comprobar experimentalmente el efecto del compilador sobre el tiempo de CPU trabajando con y
sin optimización en el compilador y utilizando los compiladores nativos de algunas de las máquinas
(cc) como alternativa al compilador gcc ¿tiene en general el compilador una influencia importante
sobre el rendimiento de procesador?
En el Anexo I se indican las principales características de las máquinas disponibles. También se indican
los ficheros y las ordenes de compilación necesarias para la obtención de los diferentes ejecutables en
cada máquina. Mas información sobre las máquinas puede encontrarse en la página web de la
asignatura.
4. Trabajo a entregar
Todos los rankings, tablas y demás tareas que se enumeran a continuación deben ser presentados en
una hoja de calculo EXCEL, de acuerdo con el modelo del Anexo II. La hoja de cálculo, que se etiquetará
como Practica1 y se almacenará en un documento de nombre "DNI_alumno.xls", será entregada en su
momento al profesor como informe de la práctica a través de la web de la asignatura.
1. Confeccionar los rankings de rendimiento de las diferentes máquinas para cada uno de los
benchmarks y aplicaciones (ordenadas por tanto de mayor a menor rendimiento).
2. Confeccionar dos tablas comparativas del rendimiento de todas las máquinas utilizadas, una para
trabajo con datos enteros y otra para trabajo con datos flotantes.
En cada tabla, referenciar cada una de sus cuadriculas mediante una abscisa y una ordenada,
representando tanto en abscisas como en ordenadas los nombres de las máquinas. Anotar en cada
cuadricula dos valores, correspondientes ambos a la ganancia de velocidad de la máquina
"ordenada" (eje Y) con respecto a la máquina "abscisa" (eje X). Estas ganancias se calcularán
respectivamente mediante:
• comparación directa de las medidas de productividad obtenidas como resultado de la ejecución
de los benchmarks
• comparación inversa de los tiempos de ejecución medidos para las aplicaciones
3. Se trata en este punto de resumir los resultados obtenidos en el punto anterior y extraer un valor
único indicativo de la precisión del benchmark a la hora de estimar el rendimiento que podemos
esperar para nuestras aplicaciones. Para ello se calculará la diferencia media entre la estimación
obtenida con el benchmark y la obtenida con la aplicación. A partir de las 12 parejas de ganancias ya
calculadas, se puede obtener el valor medio buscado, en términos porcentuales, mediante la
expresión:
Σ [(Gbenchmark/Gaplicación) –1]
------------------------------------------- x 100
6
expresión solo aplicada a las 6 parejas de ganancias que generen valores positivos en el numerador
de la misma, ya que las otras 6 parejas solo aportan información redundante.
Este valor nos informa del grado de precisión de la estimación del benchmark para aplicaciones
como las utilizadas, de tal modo que un porcentaje 0 significa precisión absoluta y valores mayores
(que pueden ser perfectamente mayores que el 100%) significan precisión menor.
4. Compilar de nuevo el programa mxvdouble en las máquinas eliminando la opción de optimización.
Calcular el incremento porcentual de velocidad conseguido con la optimización en cada máquina al
ejecutar mxvdouble, comparando para ello el nuevo tiempo de ejecución con el original.
5. Volviendo a trabajar sin optimización, compilar de nuevo el programa mxvdouble utilizando un
compilador nativo (cc) distinto al gcc en aquellas máquinas que dispongan de el, compilador
específicamente diseñado para las arquitectura correspondiente (en las demás máquinas cc hará
referencia al propio gcc). Calcular el incremento porcentual de velocidad en cada una de esas
máquinas cuando se pasa de utilizar el compilador genérico gcc a utilizar el nativo cc, comparando
para ello el nuevo tiempo de ejecución de mxvdouble con el original.
2
Anexo I: Máquinas disponibles (S.O. Unix)
Máquina
Lisa
Sirio
Orion
Centauro
Dirección
lisa.epsig.uniovi.es
sirio.edv.uniovi.es
orion.edv.uniovi.es
centauro.aulario.uniovi.es
IP
156.35.141.8
156.35.151.2
156.35.151.5
156.35.114.81
Modelo
Dell PowerEdge 2950
Sun Ultra 20 WorkStation
PC clónico
DEC AlphaServer 2100A 5/300
Año
2007
2005
2000
1996
S.O.
Red Hat 5 Linux (Unix)
Solaris 10 (Unix)
Ubuntu 7.04 Linux (Unix)
Digital UNIX 4.0E (Unix)
CPU
2xQuad Core Xeon X5355 (64 bit) AMD Opteron 144 (64 bit)
Intel Pentium III (32 bit)
4x 21164 (64 bit)
Frecuencia
2,66 GHz.
1,8 GHz.
1 GHz.
291 MHz.
Cache
L1:128KB(I)+128KB(D) L2:8MB
L1:64KB(I)+64KB(D) L2:1MB
L1:16KB(I)+16KB(D) L2:256KB L1:8KB(I)+8KB(D) L2:96KB
FPU
Integrada
Integrada
Integrada
Integrada
Memoria
16GB RAM
512MB RAM
256MB RAM
512MB RAM (Cache L3:2MB)
Compiladores
gcc
gcc y cc (nativo)
gcc
gcc y cc (nativo)
Benchmarks:
Lisa
Sirio
Orion
Centauro
/profesores/fran/4atc/dhrystone/*
/export/home/fran/4atc/dhrystone/*
/home/fran/4atc/dhrystone/*
/profesores/fran/4atc/dhrystone/*
/profesores/fran/4atc/whetstone/*
/export/home/fran/4atc/whetstone/*
/home/fran/4atc/whetstone/*
/profesores/fran/4atc/whetstone/*
Ordenes de compilación:
dhrystone
whetstone
mxvdouble
contenidas en el archivo Makefile; incluyen optimización y son ejecutadas con make (gmake en Sirio)
contenidas en el archivo Makefile; incluyen optimización y son ejecutadas con make (gmake en Sirio)
gcc –O -o mxvdouble mxvdouble.c (con optimización)
gcc -o mxvdouble mxvdouble.c (sin optimización)
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Anexo II: Modelo de hoja EXCEL
Mediciones:
Lisa
Sirio
Orion
Centauro
dhrystone
gcc
whetstone
mxvdouble
1) Rankings
Máquina
VAX MIPS
1
2
3
4
Máquina
gcc (s)
Máquina
mxvdouble (s)
1
2
3
4
Máquina
Whetstones/s
1
2
3
4
1
2
3
4
2) Comparativa
Lisa
-
Sirio
-
Orion
-
Centauro
Lisa
Sirio
Orion
Centauro
Sí/No
¿Estiman adecuadamente los benchmarks el rendimiento obtenido con las aplicaciones?
3) Precisión
Enteros
Flotantes
Diferencia media entre estimaciones de benchmark y aplicación (%)
¿Son las estimaciones para enteros y flotantes igual de precisas?
4
Sí/No
4) Compilador
mxvdouble
Incremento de velocidad con optimización en Lisa (%)
Incremento de velocidad con optimización en Sirio (%)
Incremento de velocidad con optimización en Orion (%)
Incremento de velocidad con optimización en Centauro (%)
Incremento de velocidad en la ejecución de mxvdouble al compilar con cc en Sirio (%)
Incremento de velocidad en la ejecución de mxvdouble al compilar con cc en Centauro (%)
¿Tiene el compilador una influencia importante sobre el rendimiento de CPU?
Anexo III: Código fuente
Script para compilar n veces un programa
#!/bin/bash
# Compila n veces un programa
i=1
while [[ $i -le 10 ]]
do
gcc –O -o programa programa.c
let i=$i+1
done
Función dtime()
/*****************************************************/
/* UNIX dtime(). This is the preferred UNIX timer. */
/* Provided by: Markku Kolkka, [email protected]
*/
/* HP-UX Addition by: Bo Thide', [email protected]
*/
/*****************************************************/
#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>
struct rusage rusage;
double dtime()
{
double q;
getrusage(RUSAGE_SELF,&rusage);
q = (double)(rusage.ru_utime.tv_sec);
q = q + (double)(rusage.ru_utime.tv_usec) * 1.0e-06;
return q;
}
5
Sí/No
mxvdouble.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#define N
1000
#define M
1000
double X[N], A[M*N], Y[M];
main()
{
FILE *fiy;
int num,i,j,fil,col;
double starttime;
double endtime;
double dtime();
char *nomfi="y.dat";
printf("\n\n\nNumero de filas de la matriz: ");
scanf("%d",&fil);
printf("\n\n\nNumero de columnas de la matriz: ");
scanf("%d",&col);
fiy=fopen(nomfi,"wb");
printf("\n Inicializando la matriz....");
inicializa(X,A,fil,col,Y);
/* Toma del tiempo inicial justo antes de empezar el cálculo */
printf("\n Iniciando el calculo....");
starttime = dtime();
/* Multiplicacion*/
for (num=0; num<1000; num++)
for (i=0; i<fil; i++)
for (j=0; j<col; j++)
Y[i]= Y[i] + A[i*col+j]*X[j];
/* Toma del tiempo final justo después de finalizar el cálculo */
endtime = dtime();
/* Volcado a pantalla del tiempo medido con 2 decimales y formato long float (lf) */
printf("\n\n Tiempo total de calculo: %.2lf sec \n",endtime-starttime);
/* Ahora escribe los resultados en ficheros separados */
/*
for (i=0; i< fil; i++)
fwrite(&Y[i],sizeof(double),fil,fiy);
fclose(fiy);
putchar('\n');
*/
}
inicializa(double X[N],double A[N*N],int fil,int col,int Y[M])
{
int i,j,num;
double pp;
for (i=0;i< fil;Y[i++]=0);
srand(24);
for (i=0; i<fil; i++)
{
for (j=0; j<col; j++)
{
pp=rand();
num=((rand()*10) > 5)?-1:1;
A[i*col+j]= pp/(rand()*num);
}
}
for (i=0; i<col; i++)
{
pp=rand();
num=((rand()*10) > 5)?-1:1;
X[i]= pp/(rand()*num);
}
}
6